乌龟井地震台氡值变化分析

谭 可

(攀枝花市防震减灾局 乌龟井地震台，四川攀枝花 617065)

利用氡值测定技术捕捉地震前兆信息，是地震前兆观测的基本项目之一。分辨水氡的正常变化和异常变化，排除干扰因素，是利用水氡观测值进行地震预测的重要基础工作。观测资料质量的高低直接影响到地震预报的成功率。乌龟井地震台水氡观测为攀枝花市防震减灾局地震前兆观测手段之一，为地震分析预报提供基础数据，每日产出的数据除了自己进行分析预测外，还要向四川省地震局报送。目前龟井台有SD-3B型和FD125型两套水氡仪，2013年8月中旬以来，这两台测氡仪所测水氡浓度观测值均持续下降。2013年9月21日，其中的SD-3B型仪器测定氡值由前日的32.0 Bq/L突降至14.7 Bq/L;另外的一台FD125型仪器在9月21日氡测值为21.5 Bq/L，22日就突降至8.0 Bq/L。对于氡浓度出现这么大变化的原因，我们进行了各方面的检查和分析。笔者将SD-3B型与FD125型仪器的观测值及年变化趋势进行对比分析，并且结合2011年9月氡值出现的超幅度不正常变化进行总结，找出变化的原因，提升产出数据的质量和可用性，为地震监测预报分析和研究提供可靠的依据。

1 乌龟井地震台水氡观测地质环境

乌龟井地震台共有两口观测用深水井，编号分别为1号井和2号井。其中2号井作为水氡观测取水样井，该井距离昔格达断层30 km;2号观测水井建造年份为1981年2月，开始进行正常观测日期为1981年6月，设计使用年限为50年。具体的地质情况如下:2号井在井深170.56 m以上为峨眉山玄武岩，井深170.56～279.70 m为二迭系岩石，井深178.91～273.40 m为阳新灰岩，井深273.40～279.70 m为梁山煤组岩石;井深286.82～383.27 m为震旦系灯影灰岩。该井原为自流井，水量大，但2005年初开始水流量逐渐减小，到2007年底断流。断流后的井水位高低随降雨量大小变化而变化，乌龟井地震台通过测量井水静水面至水井泄流口的高度确定井水位的升降，将井水位的升降变化作为一种辅助观测手段。

2 SD-3B型测氡仪器的应用

SD-3B型测氡仪是以CPU89c52为控制芯片的观测系统，仪器对氡浓度进行测量并且打印、显示氡含量。氡探测装置通过主机控制，除取水样和鼓泡需人工操作外，仪器可自动测量和计算出氡浓度值，并将测量结果氡浓度值打印出来。该仪器于2007年11月在乌龟井地震台安装完毕开始正常运行。由探头和高压显示盒组成了探测系统，探头内装有光电倍增管，高压显示盒内装有高压电源调整板和探测放大器主板，高压显示盒面板上设置了高压调节电位器，高压在400～1 200 V范围连续可调，用于光电倍增管坪曲线测试和高压工作点的选取。该测氡仪还配有金属ɑ检查源，用来测量光电倍增管坪曲线和检查测氡装置工作是否正常。测氡装置通过电缆线与SD-3B型测氡仪主机相连接。仪器主要技术指标如下:测量范围104Bg/L;灵敏度大于120个记数/分钟/(Bq/L);记数容量106;稳定性优于±5%;固有本底小于10个记数;闪烁室抽真空密封条件下10 min内闪烁室漏气不超过10 mmHg。

从记录光电倍增管输出的脉冲频率可知闪烁室内的氡浓度。由于光电倍增管输出的脉冲幅度较小，且光电倍增管是高压输出内阻器件，要经过前置放大器及极零相消电路，它将前放输出的后尾很长的脉冲变为无反向突起、宽度为1 μs的尖脉冲。主放大器由两级电压并联负反馈组成，经甄别阀值滤除闪烁探头输出信号脉冲中非信号脉冲干扰，脉冲整形电路将脉冲信号整形为同幅同宽的方波，送往互补跟随驱动器，经电缆送入主机CPU计数器，自动计算出氡浓度并打印输出。

2008年以来攀枝花地区干旱少雨，2号观测井平均水位也随之下降，2008年的水位在-0.8 m至-4.3 m之间(注:负值为静水面至井口的高度，以此表示井水位的高低，以下同);2009年的水位在-2.33～-5.76 m之间;2010年水位在-4.7～-7.16 m之间;2011年水位在-2～-8.25 m之间;2012年水位在-8.22～-9.88 m之间;到2013年6月30日时测得水位已低至-9.97 m。2013年7～8月后攀枝花降雨逐渐增多，井水位开始上升。在9月份，常有大到暴雨，2号井水位开始快速上升，至10月22日上升至-3.83 m，井水断流后对水氡值的测量影响较大。

从2008年到2010年SD-3B水氡仪所测水氡值年变化曲线可以看到，虽然水氡均值逐年下降，但水氡年变化趋势相近似，年初氡浓度值较高，然后下降，到年底时又回升。观察发现氡值与井水位的高低相对应，当井水位上升时氡值也上升，井水位下降时氡值也下降，在2008～2011年均呈现出这样的变化趋势。在2008年到2011年9月间，平均井水位一直下降，而水氡均值也在下降。2011年9月24日SD-3B半自动测氡仪所测氡值大幅突跳升高，氡值记录为5.3 Bq/L，较前日值变化达200%，到了2012年2月中旬以后氡值的变幅上升到50 Bq/L，其后水氡背景值一直在几十的高值。2013年8月中旬开始SD-3B水氡仪所测水氡值开始逐渐下降，2013年9月21日出现突跳下降，由前日的32.0 Bq/L大幅降到14.7 Bq/L，变化幅度达1倍多。

3 FD125型测氡仪在乌龟井台的应用

FD125型测氡仪由BHC-336定标器和FD125型室内氡钍分析器组成。2012年10月31日开始在乌龟井台正式运行观测。仪器主要技术性能指标:闪烁室固有本底(未进行射气测量)不大于10脉冲每100秒;闪烁室为密封式结构，当闪烁室内残余气压为100 mmHg时，在10分钟内，闪烁室漏气不超过10 mmHg;输入脉冲宽度≥0.1 μs;阀值可调范围0.1～5 V连续可调;最高计数率≤10 MHz;高压输出30～1 500 V连续可调，输出极性正或负。BHC-336定标器由单道分析器、定标器、ARM9嵌入式系统等组成，内置低压电源及正负高压电源。FD125型室内氡钍分析器与定标器配合使用测定水样品中氡浓度。BHC-336定标器特点，1)仪器在设计时考虑到环境电磁干扰、电网稳定性、环境温度和湿度变化对仪器的影响，采用了相对应的电子学措施。因此，工作稳定度高，克服了外界干扰对计数器造成的记数误差;2)仪器采用了高可靠的ARM9嵌入式系统，具有数据获取和处理的强大能力;3)具有很强的和外界通信能力;4)能自动控制高压，对探头进行坪曲线测量，自动画出图形，方便用户确定最佳工作条件;5)具有很强的脉冲分辨和适用能力，计数率可达到5 MHz。

FD125型测氡仪自应用以来运行平稳，所测氡值与井水位变化相对应。在投入运行的最初时间内我们就对仪器的运行情况进行过分析检查，以熟悉该仪器的性能。选取观测首日10月31日氡值分析，主样40.8，副样42.0，偏差为 -2.9%，符合要求;11 月1 日氡值主样37.7，副样 42.0，偏差为 -11%，偏差较大;11 月3 日主样39.1，副样42.3，偏差7.9%;11 月8 日主样40.4，副样 44.3，主副样偏差9%;11 月13 日主样39.3，副样42.5，偏差7.8%。这几日偏差超范围，其余主副样平行观测值偏差都在3%～5%内。在以后的观测中，主副样氡值数偏差都在合理范围内。但从2013年8月中旬开始水氡测量值逐渐降低，至9月21日降到21.5 Bq/L。9月22日所测氡值大幅出现突跳变化，突降至8.0 Bq/L，变幅达1倍以上。这一变化趋势与SD-3B型测氡仪同步。

4 讨论

研究水氡正常动态特征及机理以分辨水氡的正常变化和异常变化，排除各种干扰因素从而提取真正的地震前兆信息，是利用水氡预报地震的一项重要的基础性工作，也是取得良好预报效果的关键。在水氡值出现一些超幅度异常变化后，遵循下列程序进行相关检查:1)首先对仪器进行相关检查，确定仪器工作正常，排除仪器自身的问题。同时进行加密对比跟踪观测，早上正常观测后，下午再做1次对比观测，每套仪器的2次测值差别不大，两套水氡仪测量氡浓度变化趋势一致。2)每日观测在规定的时间范围内，使用扩散器负压法取样，严格按照水氡观测技术规范操作，排除了取样条件和测试条件的改变。3)调查气象因素，分析地下水动力条件的改变。2013年8月中旬开始，攀枝花的雨水逐渐增多，9月份更是经常下大到暴雨。观测井水位随着降雨的增多从8月初开始上涨，到9月以后上升更加迅速，至10月24日井水位已由8月1日的-9.31 m上升到了-3.83 m位置。

结合近几年的水氡观测资料和井水位变化情况分析，将井水位的变化分为三个时期，从三个时期来看井水位的变化对氡值的影响。第一，2007年底井水断流后到2011年底，由于连年干旱少雨，缺少降水和地下水补给，井水位持续波动下降，2011年底以前这一期间井水位在-8 m以上。同期水氡背景值在10 Bq内随水位的变化而变化，且水氡均值随井水位逐年下降而降低。第二，2012年到2013年7月初这段时间，井水位持续下降，最低降到-9.97 m。在水位降到-8 m时，水氡值开始与井水位呈反方向变化，氡值出现上升变化趋势。在2012年1月当井水位下降到-8m以下时，氡值变幅增大。随着井水位的继续下降，氡值变幅可达1倍以上，出现雪崩式跳变上升。这一时期的氡值浓度背景值在几十的范围内。第三，2013年7月开始，攀枝花降雨增多，井水位开始迅速上升，氡测值却开始下降，起初认为是降雨形成的地表水大量渗入使含水体被稀释，从而氡值随井水位的上升而下降。在9月份连续大到暴雨极端气象天气的出现，降水和地下水大量渗入补给2号井，使井水位急速上升，井水位高于-8 m后，氡值变幅增大。当井水位继续上升，氡值变幅可达1倍以上，出现雪崩式跳变下降。所以在9月21日FD125型仪器的氡观测值为21.5 Bq/L，9月22日氡值跳降至8.0 Bq/L。SD-3B型测氡仪几乎同时出现这一变化，9月20日测值为32.0 Bq/L，9月21日测值突降至14.7 Bq/L。在随后阶段，氡浓度背景值在10 Bq/L以内随井水位变化而变化。

通过以上分析认为井水位在-8 m处是临界点，在此上下是两个平衡状态。当干旱少雨，外来渗入补给水不足，出现井水位低于-8 m这样一种状态时，为平衡状态。此时很少地表水渗入，观测井水也少有外渗流出补给他处，溶解在井水中的氡富集度较高，水氡背景值在几十这样一个较高值的范围内变化。当降水增加，地下水渗入增加，井水位上升，同时观测井水向外流出，造成地下水动力条件改变。这一累积变化突破前一状态临界点后氡值就会出现突发性的下降。在井水位高于-8 m后，由于大量渗入的地表水稀释，和观测井水向外流出带走大量溶解氡，这一状态下氡浓度较低，水氡观测背景值在一个较低值范围内变化。在水氡的正常年变化过程中，一旦受降雨量影响，使井水位的下降或上升突破-8 m这一临界点后，就会引起水氡值的突发性上升或下降，氡浓度会在高、低不同的两种背景值状态间转换，且雪崩式完成这一过程。所以认为近期水氡超幅度异常变化是由于降雨骤增，地下水动力条件改变引起的平衡态转换所致。